電力電子變流技術中的三相電壓型PWM可控整流器研究

崔 紅，高有清

（1.遼寧省交通高等專科學校，遼寧 沈陽 110122；2.沈陽光大環保科技股份有限公司，遼寧 沈陽 110026）

0 引言

在工業領域的許多場合，需要變流器進行電能變換，如高速電機的功率變換系統。但傳統的電能變換方式會對電網造成較大的諧波污染。將PWM技術應用到整流器中，能夠達到減小諧波的目的。隨著新型電力電子器件的開發，先進控制算法的應用，使PWM整流器的性能逐步提升。

1 三相電壓型PWM可控整流器的電路結構

PWM可控整流器通常分為兩類：電流型和電壓型。與電流型PWM可控整流器相比，電壓型PWM可控整流器具有結構簡單、控制方便的特點。三相電壓型PWM可控整流器電路結構如圖1所示。

圖1中，ua，ub，uc表示三相電網電壓，ia，ib，ic表示三相輸入電流，La，Lb，Lc表示交流側濾波電感，RLa，RLb，RLc表示濾波電感的等效內阻，Cdc表示直流側的濾波電容，VT1～VT6表示可控整流器的6個功率開關器件，R0表示負載電阻，EL表示直流電動勢，id為母線側電流，0表示電網的中性點，N表示下橋臂的節點。三相電壓型PWM可控整流器拓撲結構具有輸入交流側諧波小、輸出直流側電壓穩定的特點，適合在大功率的場合應用。

圖1 三相電壓型PWM可控整流器的電路結構

2 三相電壓型PWM可控整流器的原理分析

根據三相電壓型PWM可控整流器的電路結構，通過對功率開關器件VT1～VT6進行PWM控制，由于電感的存在，交流側電流不能突變，能夠使電流波形接近于正弦化[1]。而且，能夠跟蹤交流側電壓波形的變化，使功率因數接近于1。開關頻率越高，電流波形越接近于正弦。通常用空間矢量描述整流橋的開關狀態。每一相橋臂有兩種開關模式，上橋臂導通、下橋臂關斷用1表示，下橋臂導通、上橋臂關斷用0表示。三相PWM整流器共有（000-111）8種工作狀態，其中包括6種非零狀態矢量（001-110）和2種零狀態矢量（000）和（111）。

3 三相電壓型PWM可控整流器的數學模型

為便于建立三相ABC靜止坐標系下的數學模型，做以下假設：（1）電網電壓三相平穩對稱；（2）功率開關器件是理想開關，無開關損耗；（3）網側電感是線性濾波電感；（4）直流側負載由電阻和反電勢串聯等效。

開關函數分別定義為Sa，Sb，Sc，上、下橋臂的邏輯關系相反。上、下橋臂通斷狀態分別用1和0表示，上橋臂通為1，下橋臂通為0。

從式（6）可知，在三相ABC靜止坐標系下，三相電流ia，ib，ic相互耦合，需要對ia，ib，ic進行解耦。為了有利于控制系統設計，可以將三相ABC靜止坐標系通過坐標變換轉換成同步旋轉dq坐標系。

4 三相電壓型PWM可控整流器控制器的設計

對于高速電機的功率變換系統，為了減小電流諧波對高速電機產生的影響，設計合理的PWM可控整流器控制器非常重要。

三相電壓型PWM可控整流器控制器通常采用雙閉環控制策略。電壓外環可控制三相整流器的母線電壓，電流內環可按照外環的電流指令控制電流，實現高功率因數的電流控制。電壓電流雙閉環控制結構如圖2所示。

圖2 電壓電流雙閉環控制結構

5 系統仿真

基于Matlab/Simulink仿真平臺搭建了三相電壓型PWM可控整流器系統的仿真模型[2]。仿真參數為：輸入電壓（線電壓）為380V，輸入電壓頻率f=200 Hz，輸出直流電壓U= 600 V，直流母線電容C=2 200 μF，濾波電感L=5 mH，串聯 5 Ω電阻，采樣頻率為10 kHz，直流電源電壓為300 V。三相電壓型PWM可控整流器直流側輸出電壓波形如圖3所示。網側相電壓和相電流波形如圖4所示。

圖3 整流時直流母線電壓波形

圖4 相電壓和相電流波形

由仿真結果可知，整流器直流側的母線電壓在經過小幅度的超調后穩定在設定值，網側相電流和相電壓的相位基本相同，網側功率因數接近于1。表明三相PWM可控整流器的諧波抑制能力很強。

6 結語

對于高速電機功率變換系統，研究了三相電壓型PWM可控整流器的電路結構、工作原理、數學模型以及三相電壓型PWM可控整流器控制器的設計，對三相電壓型PWM可控整流器系統進行了仿真研究[3]。仿真結果說明，整流器輸出側的直流電壓穩定，網側相電流的相位能夠較好地跟隨相電壓的相位，采用三相電壓型PWM可控整流器具有很強的諧波抑制能力，能夠提高系統的控制精度。